無線Mesh網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構網(wǎng)絡特點與關鍵技術

1、無線mesh網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構網(wǎng)絡特點與關鍵技術 無線mesh網(wǎng)絡，即無線網(wǎng)狀網(wǎng)，也稱為無線多跳網(wǎng)，它可以和多種寬帶無線接入技術如802.11、802.16、802.20以及3g移動通信等技術相結合,組成一個含有多跳無線鏈路的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡。這種無線網(wǎng)狀網(wǎng),可以大大增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍,同時可以提高無線系統(tǒng)的帶寬容量以及通信可靠性,是一種非常有發(fā)展前途的寬帶無線接入技術。 1無線mesh網(wǎng)絡的網(wǎng)絡構架傳統(tǒng)的無線接入技術中,主要采用點到點或者點到多點的拓撲結構。這種拓撲結構中一般都存在一個中心節(jié)點,例如移動通信系統(tǒng)中的基站、802.11wlan中的ap等等。中心節(jié)點一方面與各個無線終端通過單跳無線鏈

2、路相連,控制各無線終端對無線網(wǎng)絡的訪問就;另一方面,中心節(jié)點又通過有線鏈路與有線骨干網(wǎng)相連,提供到骨干網(wǎng)的連接。而在無線mesh網(wǎng)絡中,采用網(wǎng)狀mesh拓撲結構,也可以說是一種多點到多點網(wǎng)絡拓撲結構。在這種mesh網(wǎng)絡結構中,各網(wǎng)絡節(jié)點通過相臨其他網(wǎng)絡節(jié)點,以無線多跳方式相連。無線mesh網(wǎng)絡中個站點間通過多跳無線連接形成網(wǎng)狀拓撲，按站點的功能可分為mesh路由器、mesh終端和mesh網(wǎng)關三類。mesh路由器（mesh router）是具有路由功能的mesh站點。它具有一個或多個無線接收發(fā)器，構成無線mesh網(wǎng)絡的主干網(wǎng)絡，負責終端的接入和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。mesh終端（mesh client）是

3、用戶直接使用的設備，通過mesh路由器訪問internet。某些mesh終端也具備路由功能，在特殊情況下能夠為其他不能直接接入無線mesh網(wǎng)絡的終端提供路由轉(zhuǎn)發(fā)。mesh終端設備具有多樣性，可以是普通pc、筆記本電腦、pda、ip電話等。mesh網(wǎng)關（mesh gateway）是無線mesh網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡的連接點，提供路由和網(wǎng)關功能。無線mesh網(wǎng)絡中可以有多個網(wǎng)關，數(shù)據(jù)流可以選擇通過最合適的網(wǎng)關來獲得與有線網(wǎng)絡之間的通信。從廣義范圍來看，根據(jù)體系結構的不同，可以將無線mesh網(wǎng)絡分為架構式、對等式和混雜式三種。架構式無線mesh網(wǎng)絡中所有路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能都有呈網(wǎng)狀互聯(lián)的mesh路由器和mesh

4、網(wǎng)關完成，mesh終端通過ap直接接入無線mesh網(wǎng)絡中，形成主干網(wǎng)絡和終端接入的嚴格劃分。由于存在專用的主干路由結構，其傳輸質(zhì)量能夠得到較好的保障，更適用于需要高帶寬、高穩(wěn)定性的internet連接的場景。對等式無線mesh網(wǎng)絡中個無線終端之間對等的連接起來形成無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡。對等式無線mesh網(wǎng)絡中為了能夠形成自組織、自愈合的無線mesh網(wǎng)絡，終端設備需要具備路由以及網(wǎng)關等功能。對等式無線mesh網(wǎng)絡構造靈活，更適用于臨時緊急場景，但只終端設備間處理能力差異較大，設備位置變化頻繁，通信質(zhì)量難以得到保障。本文主要研究的便是這一場景?；祀s式無線mesh網(wǎng)絡結合了構架式和對等式無線mesh網(wǎng)絡兩種

5、體系結構的特點，在混雜式無線mesh網(wǎng)絡中mesh終端既可以直接接入mesh主干，也可以通過其他的mesh終端接入?；祀s式無線mesh網(wǎng)絡兼具構架式無線mesh網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和對等式無線mesh網(wǎng)絡的靈活性，將成為未來發(fā)展的方向。但是其結構的復雜性也帶來了更多需要研究的問題。2無線mesh網(wǎng)絡的網(wǎng)絡特點 與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡相比，無線mesh網(wǎng)絡具有以下特點： 1.無線多跳網(wǎng)絡 多跳mesh網(wǎng)絡架構中,無線鏈路間更短、發(fā)射功率更小、節(jié)點間干擾更少和頻率重用效率更高,這樣可以在不犧牲信道容量的前提下獲得更高的系統(tǒng)容量。 2.具有自組織、自管理、自愈能力 無線mesh網(wǎng)具有網(wǎng)絡結構靈活、易于部署和配置、

6、容錯以及網(wǎng)狀連接多點到多點通信等特點,使得無線mesh網(wǎng)的初始部署成本相當?shù)?并且可以根據(jù)需要逐步擴容。自組織自愈能力使得無線meh網(wǎng)不需要網(wǎng)絡管理員來手工配置網(wǎng)絡,而可以自動發(fā)現(xiàn)新節(jié)點,自動完成配置過程,自動維護網(wǎng)絡正常運行,在出現(xiàn)節(jié)點/鏈路故障時也可自動調(diào)整完成網(wǎng)絡自愈。 3.多種類型的網(wǎng)絡接入 在無線mesh網(wǎng)中,既支持無線終端接入骨干網(wǎng),又支持無線終端之間的對等網(wǎng)絡通信。此外,把無線mesh網(wǎng)技術與其他無線網(wǎng)絡相結合,可以通過無線mesh網(wǎng)給這些無線網(wǎng)絡的終端用戶提供無線接入業(yè)務。 4.移動性以及能耗限制與節(jié)點類型相關 無線mesh網(wǎng)中,mesh路由器一般為靜止不動的設備,而mesh終

7、端可以是移動或固定設備。同時,mesh路由器一般沒有能耗的限制,而mesh終端則需要采用能耗較小的網(wǎng)絡通信協(xié)議。這樣,mac以及路由協(xié)議需要針對mesh路由器和mesh終端設備分別設計和優(yōu)化。 5.具有無線基礎設施骨干網(wǎng) 無線mesh網(wǎng)內(nèi),由mesh路由器組成一個無線骨干網(wǎng),專門用于給終端客戶提供可靠網(wǎng)絡連接。這個無線骨干網(wǎng)在無線域內(nèi)提供了大覆蓋范圍、連通性以及健壯性。 6.集成性 無線mesh網(wǎng)可以通過mesh路由器的網(wǎng)關/橋接功能,整合現(xiàn)有多種無線網(wǎng)絡技術,如802.11、802.16、3g移動通信等。這樣,通過mesh路由器組成的無線骨干網(wǎng),可以把多種不同無線網(wǎng)絡連接到一起,形成一個“無

8、線互聯(lián)網(wǎng)”。 7.路由和配置功能的專門化 在ad hoc網(wǎng)絡中,每個終端用戶設備都要為所有其他節(jié)點執(zhí)行路由和配置功能。而在無線mesh網(wǎng)中,雖然mesh終端也有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能,但是主要還是由mesh路由器來執(zhí)行路由和配置功能,大大減輕了普通mesh終端的負載。 8.拓撲結構的相對穩(wěn)定 ad hoc網(wǎng)絡中,由于終端用戶的移動性和不可靠性,網(wǎng)絡拓撲和連接的變化較大,使得路由協(xié)議和網(wǎng)絡配置和部署帶來了很大的挑戰(zhàn)。無線mesh網(wǎng)中,mesh路由器一般是靜止不動設備且較用戶終端可靠的多。 9.功耗限制減少 無線mesh網(wǎng)絡中,mesh路由器一般為靜止不動的設備,與ad hoc網(wǎng)中的移動終端相比,基本沒有功

9、耗限制。這樣,在設計mesh路由器的物理層、mac層以及網(wǎng)絡層路由協(xié)議時,基本可以不考慮功耗限制,這大大簡化了協(xié)議設計,同時還可以采用性能較高的設計方案。3無線mesh網(wǎng)絡的關鍵技術 mesh網(wǎng)絡在設計方面不僅要考慮需無線傳輸中的各種問題,如天線設計、多址接入、控制等,還需要考慮各種網(wǎng)絡層功能的實現(xiàn)以及上下層功能之間的相互影響,這就使得無線mesh網(wǎng)的設計要更復雜。涉及到的關鍵技術有智能天線技術、自適應調(diào)制技術、雙工和多址接入技術、qdma技術、動態(tài)資源分配、無線交換技術、無線路由算法、安全性。3.1 智能天線技術當采用定向天線時,用戶節(jié)點之間通過點到點方式連接,降低了所需的發(fā)射功率,同時也減

10、少路徑之間的同頻干擾,能夠?qū)崿F(xiàn)很高的頻譜效率,但是存在一些其他方面的問題,每個用戶節(jié)點需要多個定向天線和射頻單元,任意兩點之間都需要精確的對準,當有節(jié)點加入或退出網(wǎng)絡時,網(wǎng)絡的拓撲結構發(fā)生變化,需要重新調(diào)整定向天線,增加了使用難度。另一種方案是采用全向天線或區(qū)域天線,但由于多個用戶節(jié)點要共享同一無線信道,系統(tǒng)的頻譜效率將會大大降低。更合適的方案是采用智能天線技術,智能天線是具有測向和波束成形能力的天線陣列,使用智能天線技術,用戶節(jié)點可以根據(jù)周圍節(jié)點的狀況,在軟件控制下調(diào)整波束方向,分別對應多個相鄰節(jié)點,起到空分復用的作用,提高了系統(tǒng)的容量。當網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化時,可以通過自動調(diào)整波束的方向來重新

11、建立用戶節(jié)點之間的聯(lián)系。3.2 自適應配置技術在無線mesh網(wǎng)中,兩相鄰節(jié)點的信道參數(shù),如載干比、延遲擴展等,會受多種因素的影響,例如相鄰節(jié)點之間的距離、新節(jié)點的加入、某些用戶節(jié)點處于不工作狀態(tài)等。自適應調(diào)制技術的主要思想是根據(jù)傳輸信道的實際參數(shù)動態(tài)改變調(diào)制方式,使得任何時刻信道的容量都能達到最大,同時保證鏈路在惡劣環(huán)境下的可用性。用戶節(jié)點可以采用不同的調(diào)制技術與不同的相鄰節(jié)點通信,在同一條路徑上根據(jù)其信道參數(shù)的變化來更改調(diào)制方式。另一個更復雜的問題是,即使某條路徑上能達到最佳性能,并不意味著在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)的總體性能最佳?？赡苄枰獜娜W(wǎng)的角度考慮每條鏈路上的調(diào)制方式的選擇。3.3 雙工和多址

12、接入技術tdd雙工。相鄰節(jié)點需要采用雙工方式,由于非對稱業(yè)務,采用tdd方式,通過動態(tài)調(diào)整同一幀內(nèi)傳輸方向的邊界。fdd適合對稱業(yè)務。由于無線頻譜資源有限,多個用戶節(jié)點需要采用多址技術來共享同一頻段。多址方式有fdma、tdma、cdma、sdma、ofdma。分布式多址接入控制方法。在傳統(tǒng)點到多點系統(tǒng),多址接入控制mac主要在中心節(jié)點實現(xiàn),但在無線mesh網(wǎng)中,不再存在中心節(jié)點,因此需要采用分布式的多址接入控制方法。3.4 qdma技術qdma(quad division multiple access)是頻分多址、時分多址、碼分多址、帶有避免沖突的載波偵聽多路存取協(xié)議的結合技術,提高了頻譜

13、利用率和抗干擾特性。qdma使用直接序列擴頻(dsss)調(diào)制技術,使用了4個分離的、不重疊的信道,其中3個是數(shù)據(jù)信道,1個是控制信道。智能實時監(jiān)測數(shù)據(jù)信道和控制信道的功能使qdma可以智能地選定3個數(shù)據(jù)信道中任何一個最理想的信道傳輸數(shù)據(jù)。因此,當實時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)干擾時,qdma能自動地屏蔽掉發(fā)生沖突的信道,選用其他無干擾的信道,有效地避免了干擾的發(fā)生。3.5 動態(tài)資源分配多址接入。相鄰節(jié)點共享頻段。全網(wǎng)頻段分配。在無線mesh網(wǎng)中,沒有嚴格意義上的小區(qū)邊界,每個頻段使用的范圍可以根據(jù)實際情況來劃分,頻率分配的主要目的是增加高密度用戶區(qū)的系統(tǒng)容量。一種簡單的方法是將mesh網(wǎng)劃分成多個分配區(qū)域。相隔較遠的區(qū)域可以重復使用頻段。功率控制是動態(tài)資源分配的另一個重要的方面,通過合適的功率控制,實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)用戶節(jié)點之間的干擾最小化,同樣能提高系統(tǒng)容量并減少各個節(jié)點上的能耗。3.6 無線交換技術交換方式的選擇對整個網(wǎng)絡的業(yè)務性能有很大的影響。承載的業(yè)務滿足多業(yè)務qos支持的要求,網(wǎng)絡層一般使用分組交換?；趇p的分組交換,對實時業(yè)務的服務質(zhì)量不能很好保證;atm需要額外的帶寬消耗和復雜的協(xié)議;及mpls。另外,選擇交換方式時還要考慮到無線mesh網(wǎng)的特性,如鏈路的可靠性較差、節(jié)點的加入和退出、多跳對延時的影響等。3.7 無